第3章大气热力学.ppt
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1、第3章 大气热力学,3.1 热力学第一定律 3.2 干绝热过程和位温 3.3 湿绝热过程 3.4 假绝热和假相当位温 3.5 热力图简介和应用 3.6 大气层结稳定度 3.7 局地温度变化的影响因素分析与判断 3.8 大气中的逆温 思考题,气象学与气候学,热力学第一定律是能量守衡定律在理想气体中的应用。对于质量 为m的理想气体(热力学系统),外界传递给系统热量dQ,等于系 统内能增加mCvdT与系统对外界作工pdV之和,即,第3章 大气热力学,3.1 热力学第一定律在气象中的应用,3.1.1热力学第一定律,dQ = mCvdT + pdV,其中,Cv为定容比热,单位为Jg-1K-1,T, p和
2、V分别为热力学温度、气压和体积 。,第3章 大气热力学,3.1 热力学第一定律在气象中的应用,3.1.2 干空气的热力学第一定律,利用干空气状态方程p=RT,并考虑到Cv + R=Cp,,则得到常用的干空气热力学第一定律形式:,当湿空气达到饱和时,将发生凝结,水汽凝结量为-dqs,释放潜热 dQ2 = -Ldqs 其中,L 为凝结潜热 L = 2499.5 - 2.39t (J/g),第3章 大气热力学,3.1 热力学第一定律在气象中的应用,3.1.3 饱和湿空气的热力学第一定律,对于单位质量的饱和湿空气,若外界传递给系统热量为dQ,则热力 学第一定律为,任一气块与外界之间无热量交换时的状态变
3、化过程,叫做绝热过程(Adiabatic process) 。 干空气或未饱和湿空气块绝热变化时,气块内部没有发生水相变化,称作干绝热过程(Dry adiabatic process)。 饱和湿空气块绝热变化时,气块内部有发生水相变化且凝结物全部留在气块内,称作湿绝热过程(Wet adiabatic process)。 饱和湿空气块绝热变化时,气块内部有发生水相变化且凝结物部分或全部降落离开气块,称作假绝热过程(Pseudo adiabatic process)。,对于干绝热过程,dQ=0, 因此,干空气热力学第一定律为,或,从初始状态(T0,P0)到任意状态(T,P)积分,得,上述方程称为泊
4、松方程(Poisson),它反映了干绝热过程中,气块温度和气压间关系,干绝热过程中,气块温度随高度的递减率,,所以:,证明:,第3章 大气热力学,3.2 干绝热过程和位温,3.2.3 干绝热直减率,气块按干绝热过程变化到标准大气压(取1000hPa)时所具有的温 度,称为位温。,所以:,第3章 大气热力学,3.2 干绝热过程和位温,3.2.4 位温,根据泊松方程,令p0=1000hPa, T0=,则,温度对数压力图解:横坐标温度T,纵坐标对数压力-lnp,该图上干绝热过程线为一直线,称为干绝热线。干绝线上位温是不变的,因此又称等位温线。,第3章 大气热力学,3.3 湿绝热过程,3.3.1 凝结
5、高度,zB,T0,T,z,凝结高度,未饱和湿空气块按干绝热过程从地 面上升时,随着气块温度下降,饱 和水汽压迅速减小,到一定高度饱 和水汽压等于水汽压,气块达到饱 和,该高度称为(抬升)凝结高度(ZB)。,B,湿绝热直减率( ):湿绝热过程中,气块温度随高度的递减率。,可证明:,第3章 大气热力学,3.3 湿绝热过程,3.3.2 湿绝热直减率,特征: I) ,故湿绝热线总在干绝热线之右; II)不是常数,是气温和气压的函数。 III)高温时,比湿大、凝结量多,故小,低温时相反。,dT,dT,假绝热过程特点:未饱和湿空气块刚开始上升时,按干绝热直减 率降温,至凝结高度后,若继续上升,则按湿绝热直
6、减率降温,此时 发生水汽凝结,若凝结物部分或全部降落离开气快,则当其下降时, 将按干绝热直减率或介于干、湿绝热直减率之间的直减率升温,当其 回到原来高度时,温度将高于上升前的温度,这个过程是不可逆过 程,即这种状态变化过程中位温不再守衡。因此,需定义一个新物理 量,能在所有绝热过程中都守衡,即假相当位温。,未饱和湿空气块从A上升,按干 绝热直减率降温,至凝结高度B 后,继续上升至C,按湿绝热直减 率降温,期间全部水汽凝结并降落 离开气块,则当其从C按干绝热直 减率下降至1000hPa(D)具有的温 度,称为假相当位温。,1000,T,-lnp,A,B,C,D,假相当位温计算公式:,TB,ZB,
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